SLM成形关键基础问题的研究进展

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1、选择性激光熔化成形关键基础问题的研究进展ResearchProgressofKeyBasicIssueinSelectiveLaserMeltingofMetallicPowderSLM技术集成了先进的激光技术、计算机辅助设计与制造(CAD/CAM)技术、计算机控制技术、真空技术、粉末冶金技术。SLM技术的出现给复杂金属零件的制造带来了一场革命。当前，SLM技术的研究正成为热点并受到国内外学术界和制造界的广泛重视。(R叩idPrototyping&Manufacturing,RP&M)的最新发展形式之一。SLM

2、成形技术基于分层■龛加制造的思想，利用高能暈激光束将金属粉末逐层熔化并成形为金属零件，具有制作形状复杂、相对密度高、节省材料等优点［l-2］oSLM成形的基本思想与其基于快速制造高性能复杂金属零件的需求，选择性激光熔化(SelectiveLaserMelting,SLM)快速成形技术诞生了，它是快速原型制造他快速成形技术相同：首先建立零件的CAD模型，対零件原型逐层切片，每一层切片均包含截面的几何信息，并生成STL格式文件。然后在计算机控制下利用高能激光束熔化切片区域内的金属粉末，采用增长制造的原理成形出金属零

3、件。总之，SLM技术集成了先进的工业大学等。华中科技大学和法国激光技术、计算机辅助设计与制造Phenix公司采用SLM制作的复杂金(CAD/CAM)技术、计算机控制技术、属零件分别如图1、图2所示。真空技术、粉末冶金技术。SLM技目前，SLM技术在国外己经用术的出现给复杂金属零件的制造带来了一场革命。当前，SLM技术的研究正成为热点并受到国内外学术界和制造界的广泛重视。在国外，研究SLM的国家主要集屮在德国、日本、比利时、法国等。其中德国是研究该技术最早、技术最成熟的国家。德国的MCP公司和EOS公司、法国的P

4、henix公司推出了商品化的激光熔化成形设备，并在国际上处理领先地位。国内从事SLM设备与工艺研发的单位主要有华中科技大学快速成形中心及光电国家实验室、华南理工大学、南京航空航天大学、西北于航空航天、生物医学、军事装备等领域关键零部件的制造，取得了积极进展，成为RP&M技术重要的发展方向。但是，由于SLM伴随复杂的物理化学冶金等过程，成形过程容易光熔化后如果不能均匀地铺展于前一层，而是形成大量彼此隔离的金属球，这种现象被称为SLM过程的球化现象［3］,如图3所示。球化现象对SLM技术来讲是一种普遍存在的成图1华

5、屮科技大学快速制造屮心采用SLM制作的复杂金属零件之，当()>90°时，SLM熔池将凝固成金属球后粘附于前一层上。这时，・loL/So(2)产生球化的原因主要是吉布斯自由能的能量最低原理。金属熔池凝固过程中，在表面张力的作用下，熔池形成球形以降低其表血能。目前，SLM球化的形成过程、机理与控制方法是技术难点。下面将具体介绍目前国内外在直接激光熔化成形过程球化工艺控制与机理分析方面的研究状况。白俄罗斯科学院的NikolayK.学者研究了激光与金

6、屈粉末作用时球化形成的具体过程［4］。该研究将球化过程分别描述为碟状、杯状、球状3种典型的形状，并分析了它们各自形成的机理。但是SLM过程涉及复杂的线、面、体成形，该研究并没有指illSLM在多层成形过程中球化的形成特点、机理与控制方法。南京航空航天大学的顾冬冬博士研究了铜基合金与不锈钢在CO2激光器直接成形时的球化行为，分析了球化产生的机理［5］,如图5所示。该研究指出铜基合金激光直接成形时的球化特征可分为以下儿种类型：(1)由初始扫描道分裂形成的较为粗大的球体，被称作“第一线球化”，可以通过对粉床的预热来消

7、除；(2)在较高的扫描速度下，熔化道进行纵向和横向的过度体积收缩，进而形成“收缩球化”，可以通过降低扫描速度来抑制球化发生；(3)在较高的线能量密度(高的激光功率和低的扫描速度)下，容易产牛过多液相，从而产生“自球化”。比利时鲁汶大学的J.P.Kruth教授自配了一种铁基复合粉末，分析了其SLM成形过程的球化行为［1］。该研究首先指出，激光扫描道可以看作是半圆柱体，其长度与宽度的比值越大，熔化道则越具有较大的比表血形缺陷，严重影响了SLM成形质量。球化的产生会使铺粉辗在铺粉过程中与前一层产生较大的摩擦力，不仅会

8、损坏金属表面质量，严重时还会阻碍铺粉辗使其无法运动，最终导致成形零件失败。球化现象产生归结为液态金属与固态表面的润湿问题。图4为熔池与基板润湿状况示意图。三应力接触点达到平衡状态吋合力为0［1］,即：oV/S=«L/VcoseoL/S,(1)B为气液间表面张力。L/V与其中，液固间表面张力oL/S的夹角。当()<90°时，SLM熔池可以均匀地铺展在前一层上，不形成球化现象;反图2法国P